PA单丝网片水动力特性水槽试验研究

俞鸿源，尤鑫星，曲晓玉，胡夫祥，宋伟华

(1 浙江海洋大学水产学院，浙江 舟山 31600；2 浙江省海洋渔业装备技术研究重点试验室，浙江 舟山 31600；3 东京海洋大学 海洋科学技术研究科，日本 东京 108-8477)

渔业生产中的渔具绝大多数是由聚乙烯(PE)网片制作，随着材料技术和纺织技术的发展，越来越多的高强度合成纤维材料如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、高强度聚乙烯(HSPE)等被应用于渔业[1]。UHMWPE网片强度较高，用其制作的网具水动力性能优势十分明显[2-3]。Balash等[4]通过模型试验发现，使用网线直径较小的UHMWPE网片制作的虾拖网比传统聚乙烯拖网减阻31%，但UHMWPE网片高昂的价格在一定程度上限制了其大规模推广应用。中国自主研发的HSPE单丝材料因其强度高、耐磨、性价比高等特性，被广泛应用于拖网、网箱等渔业生产领域[5]。近年来，通过对日本沿岸海域的渔业调查发现，拖网的网袖和网盖部分结构选用PA单丝网片，渔获性能好于传统的PE网片，作业油耗也明显减少。林可等[6]的水槽试验结果也证明，在网袖和网盖部分使用PA单丝网片的拖网能减阻6.0%～12.1%。

不同材料网片制作的网具水动力特性往往会存在差异[7]，而网片作为网具的重要基本材料，其水动力特性的研究就显得非常重要，研究不同材料网片水动力特性的文献较多。Wang等[8]针对平行于水流方向的网片水动力影响因素进行了研究，但并未发现网线材料(PA、PE、PET)对阻力系数的显著影响。而Tang等[9]研究对比了小冲角工况下聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酸(PET)三种材料网片的水动力特性，发现PA经编网片阻力系数略小于其他两种材料网片。Kumazawa等[10]对超高分子量聚乙烯(Dyneema)、PA、聚乙稀醇(PVA)等不同材料进行了网片的水槽试验，发现垂直于水流时Dyneema网片的阻力系数比PA复丝网片小8%。但由于PA单丝网片通常应用于刺网，鲜见有PA单丝网片的水动力特性研究文献及其在其他渔具中的应用报道。

为掌握PA单丝网片的水动力特性，探究其在拖网、网箱、建网等方面的应用合理性，设计了7种不同线面积系数α的PA单丝双死结网片，通过水槽试验研究其在不同试验工况下的水动力特性，并与3种不同线面积系数的PA复丝单死结网片、3种不同线面积系数的UHMWPE复丝单死结网片和PE绞捻网片的水动力特性进行对比研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采用不同规格的7种PA单丝双死结网片、3种PA复丝单死结网片、3种UHMWPE复丝单死结网片进行水槽试验，网片参数如表1。

表1 试验网片参数

表1中线面积系数α计算公式为：

(1)

式中：d—目脚直径，mm；l—目脚长度，mm；φ—网目角度，(°)，为两相邻目脚夹角的一半。

1.2 试验方法

水槽试验在东京海洋大学(TUMSAT)的循环动水槽中进行，水槽长9 m，宽2.2 m，水深1.6 m。试验装置如图1所示，采用三分力仪(5 kgf,Denshikogyo Co.,日本)和六分力仪(5 kgf,Denshikogyo Co.,日本)测量试验网片的水动力。在网片垂直于水流(θ=90°，θ为水流与网片试验构件平面的冲角)时，采用流线型框架[11]进行测量(图1a)。当网片与水流平行或倾斜时，采用圆柱形框架进行测量(图1b)。两种框架内径尺寸均为50 cm×50 cm。水槽试验时，首先测定试验框架的阻力和升力，其次测定相同试验条件下由框架和网片组成的试验构件的阻力和升力，最后线性计算获得试验条件下网片所受阻力和升力。试验水流设为 30、50、70、90 和 110 cm/s，试验冲角为0°～90°，间隔10°。试验时采用预加张力方法以减少试验构件在高流速下发生振动和扭曲，预加张力可通过改变力仪和试验构件间的细钢丝长度获得。

图1 测量网片阻力和升力的试验装置图

1.3 数据分析

网片的阻力系数CDθ和升力系数CLθ[12]由下式得到:

(2)

(3)

式中：Dθ—阻力，g；Lθ—升力，g；ρ—流体密度，g/cm3；S—网片装配面积，cm2；v—试验水流速度，cm/s；θ—平面网片与水流的夹角，(°)，即冲角。当θ等于0°和90°时，CDθ分别表示平面网片平行于水流和垂直于水流时的阻力系数。采用目脚直径d为特征长度的雷诺数Red：

(4)

式中：v—试验水流速度，cm/s；d—目脚直径，mm；υ—流体的动黏性系数，N·s/m2。

2 结果与分析

2.1 PA单丝网片垂直于水流时的水动力特性

网片垂直于水流时雷诺数(Red)的特征长度采用目脚直径d，图2所示，7种试验的PA单丝双死结网片阻力系数CD90数值在1.043～1.411之间，随着雷诺数的增加而减小，并逐渐趋于稳定。线面积系数越大，阻力系数CD90越大。

图2 PA单丝网片垂直于水流时阻力系数CD90与雷诺数(Red)的关系

2.2 PA单丝网片平行于水流时的水动力特性

图3所示，网片平行于水流时CD0在0.223～0.359范围内，随着雷诺数Red的增加逐渐减小，并逐渐趋于稳定，其中线面积系数较小的网片(α≤0.1))阻力系数CD0波动明显。网片平行于水流时阻力系数CD0随着线面积系数α的减小而增大，这与垂直时的试验结果不同。由此发现线面积系数α对网片的阻力系数存在双重影响：网片垂直于水流时，阻力系数CD90与线面积系数呈正相关；网片平行于水流时，阻力系数CD0与线面积系数呈负相关。

图3 PA单丝网片平行于水流时阻力系数CD0与雷诺数(Red)的关系

2.3 PA单丝网片倾斜于水流时的水动力特性

图4显示了PA单丝网片倾斜于水流时的阻力系数CDθ随冲角θ的变化趋势。随着冲角的增大，阻力系数CDθ一直保持递增的趋势。在10°时，大线面积系数网片的阻力系数小于小线面积系数的网片；但当冲角超过20°时，大线面积系数网片的阻力系数大于小线面积系数的网片，本次线面积系数对阻力系数影响的转变在试验冲角10°～20°之间发生。由图5可知，PA单丝网片的升力系数在冲角 0～50°范围内呈递增趋势，冲角为50°时升力系数达到最大值，但当冲角超过50°时，升力系数又呈递减趋势。利用非线性最小二乘法得到PA单丝网片阻力系数CDθ和升力系数CLθ的经验公式:

图4 不同冲角下的PA单丝网片阻力系数

图5 不同冲角下的PA单丝网片升力系数

CDθ=CD90sinθ+(CD0+0.68αsinθ)cos2θ

(5)

CLθ=0.1α-0.4sin1.4θcosθ

(6)

2.4 PA单丝网片与其他材料网片的水动力特性比较

对不同材料网片阻力系数对比研究时，通常选用线面积系数相同或接近的网片。这种方法虽然直观，但单一网片的结果往往容易受试验系统误差的影响，而且，当网片种类较多、线面积系数范围较大的情况也会无法达成一致。当平面网片垂直或平行于来流时，可以将网片简化为不同的物理模型，这能够直观比较材料间水动力特性差异。

当网片垂直于水流时，将水流流过网目看作水流流过非圆形管道，管道长度等于网线直径。参考非圆形管流引入水力半径h[13]为参数，进一步考虑网目形状和目脚直径对流态的影响，采用m为雷诺数的特征长度[10]，研究雷诺数Rem与阻力系数的关系。h与m的计算方法如下：

h=(1-α)l2sin2φ/4l

(7)

m=h/α

(8)

式中：α—网片的线面积系数；l—目脚长度，mm；φ—网目角度，(°)。使用非线性最小二乘法将试验数据进行拟合，得到CD90与Rem的关系式。

PA单丝:

6.5×104)

(9)

PA复丝：

7.5×104)

(10)

UHMWPE:

16.2×104)

(11)

PE[11]:

18.0×104)

(12)

由图6可知，不同材料网片的阻力系数均随着雷诺数的增加而减小，并逐渐趋于平稳，但不同材料间阻力系数出现明显差异。在3.5×103

图6 不同材料网片垂直于水流时阻力系数CD90与雷诺数Rem的关系

当网片平行于水流时，将网片看作平板[8]，取网片规格长度L为雷诺数的特征长度，考虑线面积系数对于阻力系数的影响，得到CD0与ReL、α的关系式。

PA单丝：

6.5×105)

(13)

PA复丝：

6.2×105)

(14)

UHMWPE：

6.2×105)

(15)

PE[11]:

9.5×105)

(16)

由图7可知，不同材料网片的阻力系数依然随着雷诺数的增加而减小，并逐渐趋于平稳。计算发现，PA单丝网片的阻力系数平均比PA复丝网片大16.6%，比UHMWPE网片大35.3%，比Dong等[11]试验中的PE网片小21.2%。

图7 不同材料网片平行于水流时阻力系数CD0与雷诺数ReL的关系

3 讨论

3.1 线面积系数的双重影响

试验中验证了线面积系数对PA单丝双死结网片阻力系数的双重影响，这与其他材料的平面网片[14]所得到的结果一致。当平面网片平行于来流或与来流夹角较小时，水流经过网片时上游的网目会对后方的网目产生遮挡效应，导致流经后方网片的流速减小，网片整体阻力减小[15]。线面积系数越大，产生的遮挡效应越明显，因此，小角度时线面积系数越大，网片阻力系数越小。而当网片与水流夹角缓慢增大时，遮挡效应减弱，网片的阻力主要受迎流面积控制。此时，线面积系数越大表明网片空隙面积越小，网片滤水能力越弱阻力系数越大。为进一步验证网片周围流态，未来计划使用PIV(粒子图像测速法)等可视化手段对网片周围流态进行研究。

3.2 网片材料对阻力系数的影响

当网片垂直于水流时，可将网片结构模型化为管流来分析。对于管流来说，材料间阻力系数的差异主要是由网线表面粗糙度差异造成的，若表面越粗糙其阻力系数越大[10]。通过光学显微镜发现，PA复丝单死结网片和PE绞捻网片因存在捻合形成的纹路，导致其网线表面明显比表面光滑的PA单丝双死结网片更粗糙。因此，PA单丝双死结网片的阻力系数相对较小。

线面积系数较小(α=0.044～0.089)的UHMWPE复丝单死结网片阻力系数仅为0.9左右，小于光滑的PA单丝网片，也明显小于Cha等[16]试验中UHMWPE网片的结果。在试验中发现，线密度较小的UHMWPE复丝单死结网片在水流作用下会出现鼓起形变，以至于其与水流的夹角比设定冲角小，因而阻力系数也相对减小，类似情况却未在其他材料的网片中出现。这也说明，在受力状态下网片的变形与其物理特性中的弯曲刚性[17-18]有关，弯曲刚性弱的材料会因为试验过程中实际冲角减小，导致阻力系数值减小。

当网片与水流方向平行时，可将网片结构模型化为带有一定厚度的平板，这时网线表面粗糙度所引起的摩擦阻力占整体阻力的比例较小[8]，因此表面粗糙度影响的材料间阻力特性差异性有限。而网片结节的大小会直接影响网片的受流面积，由结节产生的阻力占总阻力的近1/4[19]；同时结节对于后部流态的影响可能远大于目脚部分，结节越大上游网片的遮挡效果越强，流经后方网片的流速越小。本次试验中PA单丝网片的结节为双死结，其余两种材料网片均为单死结，所以PA单丝网片的阻力系数明显大于PA复丝网片和UHMWPE网片。

3.3 PA单丝网片的渔用优势

PA单丝网片的水动力性能与传统PE网片相比存在明显优势，平面网片垂直于水流时PA单丝网片阻力系数CD90比传统PE网片小14.7%，平行于水流时PA单丝网片的阻力系数CD0比PE小21.2%。同时，PA单丝网片与普通PE、PA复丝网片相比拉伸强度更大[2-3]。在拖网的网袖和网盖部可以使用网目更大、网线直径更小的PA单丝网片来代替普通PE网片，这能大幅度减小拖网的线面积，从而直接减小拖网的阻力[20]。另外，PA单丝网片弯曲刚性较强，用其制作的底拖网在海上作业时不易出现类似于UHMWPE拖网淤塞与刺挂的现象[4]。PA单丝网片还适用于建网和养殖网箱，因为PA单丝网片垂直于来流时，阻力系数较小，使用PA单丝制作墙网和网箱能够减小阻力；PA单丝光滑的网线表面也能有效减小海洋污损生物的附着，增加渔具滤水性；同时其优异的弯曲刚性能还能够保证网具的抗风浪性和形状稳定性[21-22]。因此，PA单丝网片在水产的各个领域都有其独特的优势，具有推广应用的潜力。

4 结论

通过水槽试验，探究了PA单丝双死结网片的水动力特性：PA单丝双死结网片垂直于水流时，阻力系数CD90在1.043～1.411范围内与线面积系数成正相关关系；平行于水流时，阻力系数CD0在0.223～0.359范围内与线面积系数成负相关关系；当PA单丝双死结网片与水流方向呈倾斜角度时，阻力系数随冲角的增大而增大，而升力系数CLθ先增大后减小，在50°时达到最大值。上游网目对于下游网目的遮挡效应使得网片的线面积系数对于阻力特性存在双重影响。PA单丝网片与其他材料网片相比，存在水动力性能或物理性能优势，在渔业生产领域具有独特的优势，值得应用推广。

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